电厂热能动力锅炉燃料及燃烧分析

2018-08-23谢健谢筱萌王彦红

中国设备工程 2018年16期

谢健，谢筱萌，王彦红

（1.陕西清水川能源股份有限公司，陕西榆林 719400；2.西安交通大学电气工程学院，陕西西安 710049；3.陕西渭河发电有限公司，陕西咸阳 712085）

在电厂运行过程中，热能动力锅炉的科学引入和合理化运用，有助于提高电能资源利用率，实现节能减排，与环境保护理念保持高度一致，并且有助于改善电厂生产效率。为维护电厂热能动力锅炉应用价值的充分发挥，积极探讨电厂热能动力锅炉燃料及燃烧是非常必要的。

1 热能动力锅炉

热能动力锅炉运转过程中，通过燃料达到充分燃烧状态后，可将热能释放出来，这些热能是具有一定规模的，之后将热能传递给其他物质，比如水。当水进入锅炉后，通过锅炉自身的受热面，将所吸收的热量传递给水，令水温度升高，其温度与压力达到相应条件。热水温度升高后所形成的水蒸气可引入，但要注意必须使用专用的引出装置。热能动力锅炉内部燃料在燃烧设备的作用下可实现充分燃烧，在这一燃烧的过程中可以放出热量，并且热量的释放是一个持续性的过程。在热能动力锅炉燃烧作用下，高温烟气得以产生，基于热传播原理，一定剂量的高温烟气能够实现热量传递，待热量传递后，烟气温度下降，并经烟囱排放。

2 电厂热能动力锅炉燃料

在电厂的生产过程中，首先在锅炉内通过燃料充分燃烧，将燃料的化学能热能传递给中间介质，比如水，令其温度逐渐升高产生蒸汽，并且蒸汽达到必要的压力，此时燃料的化学能转化为蒸汽的热能，然后在汽轮机中实现热能到机械能的转换，最后在发电机实现机械能到电能的转换。从根本上来说，电站锅炉可以看作是一种换热器装置，其所获取的能量来自于不同方面，比如燃气、燃煤、燃油等，类型丰富。但是电站锅炉燃料存在一定特殊性，其主要以煤作为燃料，在电厂热能动力锅炉内部，通过煤燃烧来释放热量，且热量较多，能够满足热媒水加热的实际需求，令水达到相应温度，从而确保压力满足相关要求，此时电厂热能动力锅炉的运行价值得以充分发挥。另外还有燃油及燃气锅炉，就燃油锅炉来看，其燃料类型丰富，常见的是柴油燃料或重油燃料。就燃气锅炉运行情况来看，其以液化石油气体、天然气、页岩气等作为燃料。当前我国很多火力发电厂建设与发展的过程中，受到经济因素以及技术因素的影响，在电厂热能动力锅炉燃料的选择上大多以煤炭为主。就煤炭的组成情况来看，其中包含大量的氧碳氢硫等元素，其中碳元素所占比例在50%以上，但不超出70%，其余氧氢硫等元素可满足燃烧需求，促进燃料，达到充分燃烧的状态，煤炭全元素如表1所示。

表1 煤炭全元素分析表

在电厂热能动力锅炉运行过程中，若保持良好的通风状态，就是给燃烧持续提供足量的氧气，改善锅炉燃料燃烧状态，有效的促进燃烧。就电厂热能动力锅炉内燃料燃烧的实际情况来看，碳释放为燃烧热量释放提供必要条件。

3 燃料燃烧特性分析

由于燃料性质存在一定差异，其燃烧过程的实现也有所不同，对于煤炭等燃料来说，当着火温度高于自身温度时即可进入燃烧状态并趋于稳定。电厂热能动力锅炉内燃料燃烧的过程中，尤其是气体燃料对燃烧方式有着较高的要求。就长焰燃烧来看，其主要是在锅炉烧嘴内部依靠气体扩散作用，令其与空气达到混合状态，促进燃料燃烧，实际上属于一种扩散式燃烧方法，锅炉内火焰相对较长。就短焰燃烧来看，是指燃料初期与部分空气达到混合状态，待喷出后，部分气体燃料燃烧，另外部分气体与二次空气混合，以实现继续燃烧，此种燃烧方式下，锅炉内所产生的火焰比较短。除此之外，还包括无焰燃烧，是指燃料进进入锅炉烧嘴之前就与空气达到完全的混合状态，二者之间发生反应。此种情况下，煤粉快速发生燃烧反应，因而几乎看不到火焰的相关现象。固体燃料在锅炉内燃烧也包括较多实际方法，比如表面燃烧、蒸发燃烧、冒烟燃烧、分解燃烧等，在电厂动力锅炉运行过程中，不同的燃烧方法具有各自特性，在实际操作中要结合实际情况加以选用。

4 电厂热能动力锅炉燃料燃烧过程

就电厂热能动力锅炉内部燃料燃烧过程来看，其燃烧作用的形成主要是由碳、氢、硫三种元素所实现的。在电厂热能动力锅炉燃料燃烧过程中，煤粉未充分燃烧，除了生成有害气体，比如一氧化硫等外，同时造成不完全燃烧热损失，导致电厂热能动力锅炉内部资源出现不同程度的浪费。而当电厂热能动力锅炉内燃料达到充分燃烧后，能够有效提高燃料利用率，促进电厂热能动力锅炉使用价值的充分发挥。为确保电厂热能动力锅炉内部燃料达到完全燃烧，可从三个阶段加以控制。

第一阶段是预热阶段，就是对燃料进行科学处理，待烘干挥发后，对其进行预热，以促进燃料燃烧。在这一阶段，燃料被充分加热，温度逐渐上升，燃料表面和缝隙中的水分就会被蒸发，使燃料表面变得干燥，而随着温度的进一步上升，燃料内部的水分也会慢慢消失。总而言之，这一部分燃料并没有放出热量，反而吸收了大部分热量，而燃料中的水分含量越多，热量吸收也就越多。一般情况下，电厂热能动力锅炉内的固体燃料可在300℃条件下实现充分燃烧，进而蒸发，并产生分解作用，一般燃料最佳预热温度不可低于300℃，不可超出400℃，如表2所示。因此在预热阶段，可令电厂热能动力锅炉内保持高温条件，令进入锅炉内的燃料达到预热效果，促进其自身水分蒸发，在预热作用下，燃料最终成为焦炭。在电厂热能动力锅炉内燃料燃烧的预热阶段，锅炉炉膛中无需引入氧气即可实现预热。在这一过程中要注意的是燃料水分的影响，当燃料水分越大时，排风量也进一步加大，同时也要注意温度的保持，过高或者过低的温度都会影响预热的质量，在锅炉燃烧中需要结合实际情况来对预热进行科学的调整。

第二阶段是燃烧阶段，这一阶段燃料继续被加热，温度继续升高，当达到一定程度时就会开始析出挥发分，进而形成热分解反应。当温度继续上升时，挥发分与氧的化学反应速度会加快，随后挥发分就会连续着火，在初期燃料表面覆盖的都是挥发分，阻滞了氧气与燃料的接触，燃烧的主体是燃料析出的物质，而随着挥发分的消耗，燃料最终得以与氧气进行接触，实现充分燃烧，物质得以充分发挥，待燃尽后，部分焦炭处于燃烧状态，此时即进入整个燃烧过程。为确保燃烧充分，这一阶段中必须引入氧气，满足燃烧需求，在燃烧阶段令氧气与燃料充分接触，达到强烈燃烧的状态，此时可充分释放热量，电厂热能动力锅炉的使用功能也得到充分发挥。为了保证整个燃烧阶段的质量，就需要合理控制氧气的投入以及整个锅炉的温度，如果空气过少则会导致燃料的不完全燃烧，造成损失，而空气过多则会影响整体的温度，同样也会影响整体的燃烧程度，降低了锅炉的热效率，同时也要给予充分的燃烧时间，确保其足够充分的燃烧。

表2 燃料预热温度

第三阶段是燃尽阶段，当燃烧反应的持续进行时，燃料的体积会逐渐变小，而燃料原本没有参与燃烧的中心也会加入到燃烧反应中来，形成一个循序渐进的过程。随着燃烧的持续进行，燃料与氧气的反应最后会渐渐减弱，由于燃料的量已经消耗了许多，所以这一部分的燃烧就接近了尾声，这是电厂热能动力锅炉内部燃料燃烧的最后阶段，焦炭中可燃物质充分燃烧，电厂热能动力锅炉内部几乎无所剩余。通过对炭灰进行观察可以发现，其包裹内部仅存部分可燃性物质成分，在这一过程中燃烧的速度会越来越慢，其热辐射的效率也会受到影响。与燃烧阶段不同，往往这时的锅炉中已经形成了较大的温差，越接近燃烧的地方温度越高，而炉膛出口的温度则会与燃烧中心的温度有着较大的差距，这是一个温度场逐渐减弱的过程。虽然燃烧已经接近了尾声，但实际上，在燃尽阶段也离不开氧气的支持，以确保炭灰内部包裹的可燃性物质成分得以充分燃烧，满足生产生活的热能需求，从而避免资源出现浪费。